Leveraging the unique characteristics of nanofibers in the rational design of the fuel electrode microstructures offers a groundbreaking avenue to effectively utilize and maximize material properties, unlocking the potential for achieving highly efficient and sustainable $CO_2$ reduction reactions ($CO_2$RR) by solid oxide electrolysis cells (SOECs). However, the practical application of nanofiber-based electrodes is impeded by the inherent challenge of establishing sufficient interfacial contact and adhesion between porous nanofibers and the dense electrolyte. To address this challenge, we introduce a novel hybrid nanofiber electrode, $La_0.6Sr_0.4Co_0.15Fe_0.8Pd_0.05O_3-δ$ (H-LSCFP), by strategically incorporating low aspect ratio crushed LSCFP nanofibers into the excess porous interspace of a high aspect ratio LSCFP nanofiber framework synthesized via electrospinning technique. The LSCFP nanofibers undergo in-situ exsolution after consecutive treatment in 100% $H_2$ and $CO_2$ at 700 °C, leading to the formation of a perovskite phase with catalytically active metallic Co(majority) and Pd(minority) nanoparticles on the surface, as well as the formation of a high concentration of surface oxygen species, enhancing the $CO_2$ adsorption ability. The SOEC with the H-LSCFP electrode yielded an outstanding current density of 2.2 A $cm^-2$ in 100% $CO_2$ at 800 °C and 1.5 V, setting a new benchmark among reported nanofiber-based electrodes. Digital twinning of H-LSCFP at the electrode/electrolyte interface reveals that this hybrid structure simultaneously provides improved contact adhesion and an increased number of reaction sites available for $CO_2$RR. Our results demonstrate the feasibility of achieving a highly catalytically active and robust nanofiber-based fuel electrode with a hybrid structure, paving the way for further advancements and utilization of nanofibers in $CO_2$-SOEC applications.
나노섬유의 독특한 특성을 활용하여 연료 전극 미세구조를 합리적으로 설계함으로써 고체산화전해전지(SOECs)를 통한 매우 효율적이고 지속 가능한 이산화탄소 감소 반응($CO_2$RR)을 달성하기 위한 혁신적인 길이 제공된다. 그러나 나노섬유 기반 전극의 실용적인 응용은 다공성 나노섬유와 밀도 높은 전해질 사이에 충분한 계면 접촉 및 접착을 확립하는 내재적인 어려움으로 인해 어려움을 겪고 있다. 이 어려움을 해결하기 위해 우리는 전기방사 기술을 통해 합성된 고 종횡비의 LSCFP 나노섬유 프레임워크의 과다한 다공간에 저 종횡비의 부서진 LSCFP 나노섬유를 전략적으로 통합함으로써 새로운 하이브리드 나노섬유 전극, $La_0.6Sr_0.4Co_0.15Fe_0.8Pd_0.05O_3-δ$ (H-LSCFP)를 소개한다. 700°C에서 100% $H_2$ 및 $CO_2$에서 연속 처리 후 LSCFP 나노섬유 표면에 촉매 활성 금속 Co(주요) 및 Pd(소수) 나노 입자들이 형성되어 $CO_2$ 흡착 능력이 향상된다. H-LSCFP 전극을 사용한 SOEC는 800°C에서 100% $CO_2$에서 2.2 A $cm^-2$의 뛰어난 전류 밀도를 기록하여 보고된 나노섬유 기반 전극 중 새로운 기준을 세웠다. H-LSCFP의 전극/전해질 계면에서의 디지털 트윈은 이 하이브리드 구조가 동시에 향상된 계면 접착력과 $CO_2$RR을 위한 반응사이트 수가 증가한 것을 보여준다. 우리의 결과는 하이브리드 구조를 가진 고도로 촉매 활성 및 견고한 나노섬유 기반 연료 전극을 달성할 수 있는 가능성을 보여주며, 나노섬유를 $CO_2$-SOEC 응용에서 더 나은 발전과 활용의 길을 열어놓는다.
